專利名稱：一種聚丙烯腈基碳纖維原絲預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚丙烯腈基碳纖維原絲的預(yù)處理方法。
背景技術(shù)：
碳纖維是一種新型的碳材料，具有很多優(yōu)異的性能，如高拉伸強(qiáng)度及高彈性模量，可以耐高溫和低溫，而且耐酸耐腐蝕性非常好，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域、土木建筑領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域及休閑娛樂領(lǐng)域。制備碳纖維的常見原料分為三種聚丙烯腈原絲，粘膠基原絲及浙青基原絲，其中聚丙烯腈基原絲應(yīng)用最為廣泛，而且常被用來制備高性能碳纖維。碳纖維的制備過程可以分為三個階段預(yù)氧化階段，碳化階段，石墨化階段。在預(yù)氧化階段原絲發(fā)生了分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)，原來的線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為了耐火的梯形結(jié)構(gòu)，防止了原絲在后續(xù)的升溫過程中熔融粘結(jié)。原絲環(huán)化起始溫度很高，預(yù)氧化過程工業(yè)耗能很大，而且在預(yù)氧化過程中放出了大量的反應(yīng)熱，使原絲容易發(fā)生熔融粘結(jié)現(xiàn)象。Ismail Karacant1]等人用乙二胺溶液對原絲進(jìn)行預(yù)處理,環(huán)化反應(yīng)起始溫度相對于原絲降低了 6-8 ° C，環(huán)化反應(yīng)放熱量也明顯降低；專利文獻(xiàn)報道用Ga_a-射線[2]、電子束[3’ 4]、紫外輻射[5]等高能輻射來預(yù)處理原絲，降低環(huán)化反應(yīng)起始溫度，減少預(yù)氧化過程放熱量；很多含有錳，鈷，銅等金屬元素的無機(jī)鹽也可用來對原絲進(jìn)行預(yù)處理，是環(huán)化起始溫度降低，預(yù)氧化過程放熱量減緩。但是這些預(yù)處理方法存在著一定的不足之處，就是在預(yù)處理過程中會造成重金屬污染、有機(jī)試劑污染以及輻射危害。[I] Ismail Karacan; Gulhan Erdogan. Polymer Engineering and Science2012， 52, 467-480
[2]王謀華，吳國忠，劉偉華.一種用Y射線輻照使聚丙烯腈改性的方法中國，200910200308. X [P], 2009-12-11
[3]王謀華，吳國忠，劉偉華.一種用電子束輻照使聚丙烯腈纖維改性的方法中國，201010108710.8 [P], 2010-02-10J. Dietrich; P. Hirt; H. Herlinger. Eur. Polym. J. 1996, 32, 617-623。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種聚丙烯腈基碳纖維原絲的預(yù)處理方法，該方法操作簡單，無重金屬污染與輻射污染，可以有效地降低工業(yè)耗能。本發(fā)明提出的聚丙烯腈基碳纖維原絲的預(yù)處理方法，具體步驟包括
(O將聚丙烯腈(PAN)原絲在質(zhì)量百分比濃度為7%-25%的氨基酸溶液中浸泡10-30min，浸泡溫度為25-85 V ；
(2)將上述浸泡后的原絲晾干，然后在空氣氛圍下進(jìn)行氧化，溫度從室溫升至350-400
V;氧化時間控制在O. 5-1 h。
所述步驟(I)中氨基酸包括賴氨酸或精氨酸等。賴氨酸或精氨酸中的氨基具有親核性，可以進(jìn)攻腈基上的碳，促進(jìn)分子內(nèi)的環(huán)化反應(yīng)，降低環(huán)化反應(yīng)起始溫度，同時氨基酸中的羧基可以起到增塑的作用，使纖維更易拉伸。有益效果
本發(fā)明的方法簡單，降低了環(huán)化反應(yīng)起始溫度，可以到達(dá)降低工業(yè)耗能的目的；減少了預(yù)氧化過程放熱量，可以有效地防止后續(xù)升溫過程中原絲的熔融粘結(jié)現(xiàn)象。
具體實施例方式比較例I :將未經(jīng)氨基酸溶液預(yù)處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至350°C，預(yù)氧化時間控制在O. 5 h左右； 按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為235. (TC，預(yù)氧化放熱量為1124 J/g。實施例I. I
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度7%的賴氨酸溶液中浸泡lOmin，浸泡溫度為55°C,然后常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至350°C，預(yù)氧化時間控制在O. 5h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為225. 3°C，預(yù)氧化放熱量為1072 J/g。實施例I. 2
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度7%的賴氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為55°C，然后常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至350°C，預(yù)氧化時間控制在O. 5h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為151. 7°C，預(yù)氧化放熱量為891. 8J/g。實施例I. 3
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度為25%的賴氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為85°C，然后常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至350°C，預(yù)氧化時間控制在O. 5h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度有為139. 4°C，預(yù)氧化放熱量為754. 8J/g。實施例I. 4
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度為7%的精氨酸溶液中浸泡lOmin，浸泡溫度為55°C，然后常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至350°C，預(yù)氧化時間控制在O. 5h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為219. 7°C，預(yù)氧化放熱量為1059J/g。實施例I. 5
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度10%的精氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為85°C，然后常溫常壓下晾干；將處理過的PAN在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至350°C，預(yù)氧化時間控制在
O.5h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為204. 7°C，預(yù)氧化放熱量為787. 7J/g。實施例I. 6
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度25%的精氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為55°C，然后常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至350°C，預(yù)氧化時間控制在
O.5h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為207. 2°C，預(yù)氧化放熱量為854. lj/g。對比實施例I. 1-1. 6與比較例1，經(jīng)氨基酸處理過的聚丙烯腈原絲環(huán)化起始溫度降低，預(yù)氧化放熱量減少，達(dá)到了降低工業(yè)能耗、減少后續(xù)升溫過程中原絲熔融粘結(jié)現(xiàn)象的目的。比較例2 :將未經(jīng)氨基酸溶液預(yù)處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至400°C，預(yù)氧化時間控制在Ih左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為235. (TC，預(yù)氧化放熱量為1256J/g。實施例2. I
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度7%的賴氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為85°C,然后常溫下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至400°C，預(yù)氧化時間控制在I h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為146.4 °C，預(yù)氧化放熱量為1189 J/g。實施例2. 2
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度25%的賴氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為85°C,然后常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至400 °C，預(yù)氧化時間控制在I h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為139. 4°C，預(yù)氧化放熱量為1328 J/g。實施例2. 3
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度7%的精氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為85°C，然后常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至400°C，預(yù)氧化時間控制在I h左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為215. 7°C，預(yù)氧化放熱量為996J/g。實施例2. 4
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度10%的精氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為85°C，然后于常溫常壓下晾干；
將處理過的原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至400°C，預(yù)氧化時間控制在Ih左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為215. 7 °C，預(yù)氧化放熱量為1014 J/g。
實施例2· 5
將PAN原絲于質(zhì)量百分比濃度25%的精氨酸溶液中浸泡30min，浸泡溫度為55°C，然后于常溫常壓下晾干；
將處理過的PAN原絲在空氣氛圍下進(jìn)行預(yù)氧化，溫度從室溫升至400°C，預(yù)氧化時間控制在Ih左右；
按上述步驟得到的聚丙烯腈環(huán)化起始溫度為207. 2°C，預(yù)氧化放熱量為1059J/g。對比實施例2. 1-2. 5與比較例2，經(jīng)氨基酸處理過的聚丙烯腈原絲環(huán)化起始溫度降低，預(yù)氧化過程放熱量減少，達(dá)到了降低工業(yè)耗能、減少后續(xù)升溫過程中原絲熔融粘結(jié)現(xiàn) 象的目的。
權(quán)利要求
1.一種聚丙烯腈基碳纖維原絲的預(yù)處理方法，其特征在于具體步驟為 (1)將聚丙烯腈原絲在質(zhì)量百分比濃度為7%-25%的氨基酸溶液中浸泡10-30min，浸泡溫度為25-85 V ； (2)將上述浸泡后的原絲晾干，然后在空氣氛圍下進(jìn)行氧化，溫度從室溫升至350-400V;氧化時間控制在O. 5-1 h。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲的預(yù)處理方法，其特征在于步驟(I)中所述氨基酸包括賴氨酸與精氨酸。
全文摘要
本發(fā)明屬于碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域，具體為聚丙烯腈基碳纖維原絲的預(yù)處理方法。本發(fā)明將需要預(yù)氧化的聚丙烯腈基碳纖維原絲在質(zhì)量百分比濃度為7%-30%的氨基酸溶液中浸泡一定時間，所述的氨基酸包括賴氨酸與精氨酸，浸泡溫度為25-85°C。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的原絲預(yù)處理工藝操作復(fù)雜，環(huán)境污染等技術(shù)問題。本發(fā)明操作簡單、不污染環(huán)境，同時能有效地降低環(huán)化反應(yīng)起始溫度，減少預(yù)氧化過程放熱量，避免了后續(xù)處理過程中原絲熔融粘結(jié)現(xiàn)象。
文檔編號D06M13/432GK102720058SQ20121019750
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者何軍坡, 楊玉良, 馬占玲 申請人:復(fù)旦大學(xué)